好文推薦 | 2020年中國(guó)垃圾分類背景下廚余垃圾處理熱點(diǎn)回眸

表 1    中國(guó)部分省市地區(qū)生活垃圾分類相關(guān)政策及工作進(jìn)展

2020年5月1日，北京市垃圾分類工作在新修訂的《北京市生活垃圾管理?xiàng)l例》指導(dǎo)下全面施行， 截至2020年底，北京市家庭廚余垃圾分出量大幅提升，從新條例實(shí)施前的 309 t/d 增長(zhǎng)至 4248 t/d， 增長(zhǎng)了 12.7倍，廚余垃圾分出率達(dá)到21.78%；其他垃圾減量明顯，為 1.53 萬(wàn) t/d，同比去年下降35%[9]。

上海市作為強(qiáng)制垃圾分類的“排頭兵”，與 2019年相比，2020年 1~ 11 月濕垃圾（即廚余垃圾）分出量為9428 t/d，增長(zhǎng)27%；干垃圾（即其他垃圾）處置量為 14178 t/d，下降20%，可回收物回收量增長(zhǎng)53%，有害垃圾分出量增加3.3倍[10]。 

對(duì)于垃圾分類開展不足半年的城市，以深圳市為例，《深圳市生活垃圾分類管理?xiàng)l例》實(shí)施僅百日，廚余垃圾分類回收量由660 t/d 增至2300 t/d，升幅250%[11]。 垃圾分類有效實(shí)現(xiàn)了4類垃圾的“三升一降”，但也為末端處理帶來了新的挑戰(zhàn)，圖 1為深圳市某小區(qū)生活垃圾分類集中投放點(diǎn)。

圖 1   深圳市某小區(qū)生活垃圾分類集中投放點(diǎn)

除了取得的成績(jī)，垃圾分類工作目前仍然存在很多的不足和改進(jìn)空間。部分地區(qū)片面地強(qiáng)調(diào)將廚余垃圾分出量的增長(zhǎng)作為垃圾分類工作的考核指標(biāo)，這不僅會(huì)導(dǎo)致部分基層部門為追求指標(biāo)而采用一些不合理的手段，而且背離了垃圾分類工作希望實(shí)現(xiàn)“源頭減量”的初衷。同時(shí)，分出的廚余垃圾缺少可靠的資源化消解能力，例如上海市在前期對(duì)濕垃圾產(chǎn)生量預(yù)估不足，導(dǎo)致末端設(shè)施的處理能力難以匹配實(shí)際需求處理量，在集中處理設(shè)施建設(shè)完成之前，主要采取集中+就地相結(jié)合的處理方式，現(xiàn)有4 座在建集中處理設(shè)施完全建成后才能基本滿足每日 9000余 t 濕垃圾的處理[12]。 廣西南寧市日產(chǎn)生廚余垃圾 600~800 t，但具有許可資質(zhì)的企業(yè)目前處理能力僅為450 t，收運(yùn)及處理能力難以滿足需求[13]。 在這種情況下，目前一些城市地區(qū)垃圾混合收集、運(yùn)輸、處理（焚燒或填埋）仍然是垃圾  清運(yùn)處理工作的“常態(tài)模式”[14]?；舜罅夥殖鰜淼膹N余垃圾，繞了一圈后還是通過焚燒、填埋進(jìn)行處理，相比之前不僅沒有帶來資源化收益，反而增加了很多的成本。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量為 2.42 億t[15]，同比增長(zhǎng) 6. 16%，當(dāng)前生活垃圾的無(wú)害化處理仍主要通過衛(wèi)生填埋和焚燒進(jìn)行，但現(xiàn)有的填埋和焚燒的處理處置能力趨于飽和且難以新建，“垃圾圍城”已成為大多數(shù)城市面臨的主要環(huán)境問題之一。垃圾分類的實(shí)施能有效實(shí)現(xiàn)垃圾的源頭減量，推動(dòng)可回收資源的循環(huán)利用，是提振固廢全產(chǎn)業(yè)鏈以及助力城市生 態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。廚余垃圾在分類收運(yùn)后大量集中，與之配套的資源化處理技術(shù)設(shè)施及消納能力卻嚴(yán)重不足，與其他垃圾混收混運(yùn)現(xiàn)象也時(shí)有 發(fā)生[16]，這種停留在表面并未貫穿整個(gè)垃圾分類處理鏈條的現(xiàn)象，極大程度降低民眾對(duì)垃圾分類的信心與積極性，不利于垃圾分類的廣泛推進(jìn)。

目前各類文獻(xiàn)或新聞報(bào)道中對(duì)于“廚余垃圾”、“餐廚垃圾”等概念通常沒有明確區(qū)分，容易造成混淆。來自居民廚房的家庭廚余垃圾、來自餐廳和食堂的餐廚垃圾以及來自菜場(chǎng)的果蔬垃圾都屬于“易腐垃圾”，即易腐爛的、含有機(jī)質(zhì)的生活垃圾。

本文所涉及的廚余垃圾是指除餐廚垃圾之外的易腐垃圾，包括居民生活中產(chǎn)生的食物殘余、吃剩的食物和來自菜場(chǎng)的果蔬垃圾。中國(guó)廚余垃圾一方面來源分散，相對(duì)較難單獨(dú)管理，另一方面產(chǎn)生量大，是“濕垃圾”中占比最大的類別。2018年中國(guó)易腐垃圾產(chǎn)生量達(dá)到 1.08億t[17]。 深圳市僅來自家庭廚房的廚余垃圾占易腐垃圾比例就高達(dá)73%[18]，2020年5月廣州市廚余垃圾清運(yùn)量達(dá) 1120 t/d[19]。

表2[20-22]為餐廚垃圾和廚余垃圾的物化特性對(duì)比，其中廚余垃圾數(shù)據(jù)基于 2020 年北京市海淀區(qū)大工村廚余垃圾處理廠采樣測(cè)得。 與來自餐飲單位的餐廚垃圾相比，廚余垃圾在水、油、鹽的含量上具有較大差異。廚余垃圾含水率達(dá)75% 以上，而餐廚垃圾含水率更高，一般在90% 左右。廚余垃  圾中油脂、鹽（氯化鈉）含量相對(duì)較低，這一方面是因?yàn)榧彝ヅ腼兯玫挠秃望}相比于餐廳來說較少，另一方面是由于廚余垃圾中存在較高比例的水果和蔬菜等廢棄物，降低了垃圾整體的蛋白質(zhì)、油脂和鹽的含量。

表2   餐廚垃圾和廚余垃圾物化特性比較

現(xiàn)有的廚余垃圾處理技術(shù)可分為生物法、物理 法、化學(xué)法等，具體的處理技術(shù)包括破碎直排處理技術(shù)、厭氧處理技術(shù)、蚯蚓堆肥技術(shù)、微生物菌體處理技術(shù)、飼料化處理技術(shù)、焚燒處理技術(shù)、制肥處理 技術(shù)等。目前應(yīng)用最普遍的是厭氧消化技術(shù)，以廣州市為例，到2020年已建成運(yùn)營(yíng)2200t/d的廚余垃圾處理設(shè)施，其中采用厭氧發(fā)酵技術(shù)的處理能力達(dá) 2000 t/d，采用高溫好氧制腐殖酸技術(shù)的處理能力 達(dá)200 t/d[19]。 此外，堆肥、腐生生物處理、機(jī)械處理 等也是常見的廚余垃圾處理手段。

當(dāng)前廚余垃圾的處理仍面臨諸多問題。從處理能力來講，廚余垃圾處理設(shè)施一般由部分餐廚垃圾處理設(shè)施改建而成，而全國(guó)城市餐廚垃圾每年都僅有12% 得到了資源化及無(wú)害化處理[20]。以北京為例，現(xiàn)有 23 座餐廚垃圾處理設(shè)施，處理能力為 2700 t/d，垃圾分類后日產(chǎn)餐廚垃圾的量在6500 t/d以上[21]，易腐垃圾整體處理能力還存在較大缺口。從政策層面來講，對(duì)處理技術(shù)規(guī)范不明確或認(rèn)識(shí)不正確的情形普遍存在。

 表 3 總結(jié)了深圳、上海、北京及杭州這4個(gè)典型城市所發(fā)布政策條例中與廚余垃圾相關(guān)的內(nèi)容，可以看出，產(chǎn)沼、堆肥等傳統(tǒng)生化處理技術(shù)還是各個(gè)地方用于廚余垃圾處理的主要推薦技術(shù)，這些技術(shù)成熟度高、資源化利用率高、大型工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)豐富。但目前產(chǎn)沼技術(shù)產(chǎn)生的沼渣和沼液處理難度較大，堆肥技術(shù)的產(chǎn)品后端出路較窄，造成這些技術(shù)整體的處理效果不佳且成本偏高。因此，因地制宜研發(fā)出減量化顯著、資源化程度高的處理技術(shù)，并對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化是廚余垃圾處理的當(dāng)務(wù)之急。

表3    中國(guó)部分省市地區(qū)廚余垃圾處理相關(guān)政策

厭氧消化技術(shù)，即在無(wú)氧或缺氧條件下，厭氧微生物將廚余垃圾等有機(jī)廢棄物中有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解利用并轉(zhuǎn)化為CH4、CO2、微生物細(xì)胞等物質(zhì)的生 物化學(xué)過程。在實(shí)現(xiàn)廚余垃圾減量化的同時(shí)可以產(chǎn)生 H2 與 CH4 等能源，由于具有反應(yīng)效率高、動(dòng)力消耗低、實(shí)現(xiàn)沼氣能源回收、制備高附加值副產(chǎn)物等優(yōu)勢(shì)，是目前常用的有機(jī)廢棄物處理方法之一。隨著垃圾分類政策不斷推進(jìn)落實(shí)，針對(duì)廚余垃圾的厭氧消化技術(shù)在2020年取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，下面就技術(shù)研究突破、工程案例進(jìn)展和相關(guān)問題剖析等角度進(jìn)行回顧。

廚余垃圾厭氧消化預(yù)處理手段的開發(fā)是現(xiàn)階段研究的一項(xiàng)重點(diǎn)。北京工商大學(xué)劉伊等[22]采用高溫濕熱預(yù)處理廚余垃圾，目的是提高廚余垃圾中大分子有機(jī)質(zhì)的溶解性，進(jìn)而促進(jìn)廚余垃圾的資源利用率和生化處理潛能。而蘭州交通大學(xué)Zhen等[23]采用微氧預(yù)處理的方式，促進(jìn)微生物對(duì)小分子有機(jī)物的利用和分解，提高了廚余垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣效率，縮短了消化時(shí)間。清華大學(xué)蔣建國(guó)等[24]針對(duì)廚余垃圾 C/N較低、營(yíng)養(yǎng)元素不均衡等特征，導(dǎo)致厭氧消化體系揮發(fā)性有機(jī)酸和氨氮的累積、降低CH4 產(chǎn)率等問題，開發(fā)了超聲、堿熱、微波等基質(zhì)預(yù)處理手段，強(qiáng)化廚余垃圾中蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等大分子有機(jī)物溶出分解，有效提高后續(xù)厭氧消化的效率，且有助于提高反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)沼速率，在較短時(shí)間內(nèi)釋放產(chǎn)氣潛能。

另一方面，將廚余垃圾與其他有機(jī)廢棄物混合共消化，其不同基質(zhì)間對(duì)產(chǎn)沼的協(xié)同效應(yīng)也不容忽視。

江南大學(xué)趙明星等[25]發(fā)現(xiàn)將廚余垃圾、餐廚垃圾、果蔬垃圾按照 5∶2∶3 的比例混配進(jìn)行共消化， 累積CH4 產(chǎn)量和 CH4 含量相較于廚余垃圾單一消化，分別從279.09 mL/g VS 和 50. 12% 提升到了354.51 mL/g VS 和57.66%，有著明顯的協(xié)同促進(jìn)作用。

西安建筑科技大學(xué)王曉昌等[26]也利用廚余垃圾和牛糞的共消化，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高速地產(chǎn)沼，在300 d 以上的半連續(xù)生物反應(yīng)器運(yùn)行中，累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到441 mL/g VS，且未發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸的累積。

而廚余垃圾和市政污泥的共消化，同被Avn Insitute of Engineering and Technology 的Var? sha 等[27]證明可有效規(guī)避了在單一厭氧消化中廚余垃圾 pH 緩沖能力弱、市政污泥可生化性較差的弊端，混合物料的 C/N 比合適、pH 值穩(wěn)定，共消化有效對(duì)累積產(chǎn)甲烷量和生物降解性均有協(xié)同促進(jìn)作用。圖 2 展示了廚余垃圾、餐廚垃圾、果蔬垃圾共消化的協(xié)同作用。

北京科技大學(xué)汪群慧等[28]通過引文數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)計(jì)量分析研究，識(shí)別出共消化處理技術(shù)也是廚余垃圾厭氧消化技術(shù)現(xiàn)階段以及未來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

圖2   廚余垃圾、餐廚垃圾、果蔬垃圾共消化的協(xié)同作用

隨著全國(guó)范圍內(nèi)垃圾分類工作的推進(jìn)，末端廚余垃圾的處理處置設(shè)施也在逐年發(fā)展，國(guó)內(nèi)已建和在建廚余垃圾厭氧消化工程案例較多，以“預(yù)處理—干式厭氧消化”“預(yù)處理—濕式厭氧消化”“預(yù)處理— 生物水解 — 濕式厭氧消化”等工藝流程為主[29]。但值得注意的是，目前已建的廚余垃圾厭氧消化工程很多是依托原有餐廚垃圾處理設(shè)施進(jìn)行改建運(yùn)行。

例如，上海老港濕垃圾處理項(xiàng)目，處理規(guī)模為1000 t/d，其中餐飲垃圾400 t/d，廚余垃圾 600 t/d，針對(duì)濕垃圾中餐飲、廚余垃圾的不同特性，確定餐飲垃圾采用“預(yù)處理+厭氧消化”，廚余垃圾采用“預(yù)處理+干式厭氧消化”的工藝路線，項(xiàng)目沼氣產(chǎn)生量可達(dá)到 50000 Nm3/d[30]。類似地，其他很多已建和在建項(xiàng)目，針對(duì)廚余垃圾，均采用“預(yù)處理+干 式厭氧消化”的主體工藝，采用水平推流式或者立式設(shè)備，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備成熟穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)氣量高[32]。 

例如，青島廚余垃圾項(xiàng)目的處 理規(guī)模為500 t/d，其主要設(shè)施包括了廚余垃圾預(yù)處理、干式厭氧消化、沼渣脫水、沼渣干化、沼氣凈化 及利用、除臭系統(tǒng)等；

杭州天子嶺處理規(guī)模200 t/d 的廚余垃圾項(xiàng)目、北京市豐臺(tái)區(qū)生活垃圾循環(huán)經(jīng)濟(jì) 園處理規(guī)模 300 t/d 的廚余垃圾項(xiàng)目等也采用類似 的工藝路線。 

另外，上海松江濕垃圾處理項(xiàng)目和上 海嘉定濕垃圾處理項(xiàng)目等則采用了“預(yù)處理—生物 水解—濕式厭氧消化”的主體工藝。

 圖3為上海老 港濕垃圾處理項(xiàng)目[33]、杭州天子嶺廚余垃圾處理項(xiàng) 目[34]、上海嘉定是垃圾處理項(xiàng)目工藝路線[35]。

圖3   上海老港濕垃圾處理項(xiàng)目、杭州天子嶺廚余垃圾處理項(xiàng)目、上海嘉定是垃圾處理項(xiàng)目工藝路線

目前，廚余垃圾的厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用仍面臨一些問題，主要包括廚余垃圾的顆粒較大，且存在一部分木質(zhì)纖維素等難以被生物降解或利用的組分；厭氧消化系統(tǒng)易出現(xiàn)氨氮抑制現(xiàn)象，降低系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率；產(chǎn)甲烷菌生產(chǎn)周期長(zhǎng)，消耗有機(jī)酸的能力有限，當(dāng)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，容易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象等[36]。

而在應(yīng)用方面，一些地方為了盡快消納廚余垃圾，依托原有餐廚垃圾濕式厭氧消化處理設(shè)施進(jìn)行 廚余垃圾的厭氧消化，但廚余垃圾與餐廚垃圾相比，含水率、含油率、含鹽率較低，預(yù)處理和厭氧消化工藝的選擇有明顯差異，因此直接采用餐廚垃圾厭氧消化工藝與設(shè)施處理廚余垃圾還存在較大問題。另一方面，廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)生的沼氣和沼渣的出路問題需要進(jìn)一步考慮，沼氣常被直接用作發(fā)熱發(fā)電，喪失了其富含甲烷可進(jìn)行高值化利用的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有利用價(jià)值較低；而沼渣也常被直接脫水后焚燒，未拓展其利用途徑，未來可考慮將具有環(huán)境安全性的厭氧消化沼渣經(jīng)過高溫堆肥后制備沼 渣源有機(jī)肥，提高沼渣的資源化利用程度。

廚余垃圾堆肥處理（肥料化處理）主要包括好氧堆肥及厭氧堆肥2種。好氧堆肥是指在有氧條件下微生物通過新陳代謝作用降解廚余垃圾中的有機(jī)物，使垃圾最終達(dá)到穩(wěn)定化無(wú)害化狀態(tài)的過程，堆肥剩余物經(jīng)調(diào)節(jié)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后可作為土壤肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。厭氧堆肥則是在厭氧情況下對(duì)廚余垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行降解。目前普遍應(yīng)用 的是好氧堆肥技術(shù)，具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、二次污染小等優(yōu)勢(shì)。

盡管廚余及餐廚垃圾的堆肥處理已是較為完備和成熟的技術(shù)，但其過程優(yōu)化與效率提升仍然是學(xué)界廣泛關(guān)注的問題，2020 年這一技術(shù)取得了一系列全新的研究進(jìn)展。

張春燕等[37]研究了竹炭添加對(duì)廚余垃圾好氧堆肥過程的影響，發(fā)現(xiàn)竹炭可以增加堆肥高溫持續(xù)時(shí)間，提高有機(jī)物的降解率和堆 肥產(chǎn)品的腐熟程度。

余培斌等[38]為解決高溫好氧 堆肥過程中可用菌劑較少的問題，從完全腐熟的餐廚垃圾有機(jī)肥中篩選、富集培養(yǎng)和分離純化了對(duì)淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)及油脂具有更強(qiáng)分解能力的菌株，制作成復(fù)合菌劑，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合菌劑能明顯縮短堆肥周期（約40%），而且將餐廚垃圾降解率提高了31%。

Chen等[39]將餐廚垃圾與污水污泥進(jìn)行協(xié)同好氧堆肥，研究了抗生素對(duì)水解酶活性和微生物群落的影響，發(fā)現(xiàn)5 mg/kg 的抗生素會(huì)降低纖維素酶的活性，增加脂肪酶和蛋白酶的活性，pH和溫度是影響微生物群落演替的最重要因素，其次是餐廚垃圾和污泥的共同堆肥過程中的總氮和水分含量（圖 4[39]）。

圖4   餐廚垃圾與污泥協(xié)同好氧堆肥

好氧堆肥處理技術(shù)已有較為成熟的應(yīng)用。以北京市為例，海淀區(qū)餐廚廚余垃圾處理廠采用好氧制肥工藝結(jié)合漿液厭氧發(fā)酵工藝處理系統(tǒng)，其技術(shù)路線如圖5[40]所示，主工藝為有機(jī)廢物生物強(qiáng)化腐殖化和控氧制肥，將餐廚垃圾固相中的營(yíng)養(yǎng)成分快速降解為生物腐植酸，輔助工藝采用高濃度有機(jī)液 相厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣可供給鍋爐燃燒回用于工藝 用熱，實(shí)現(xiàn)沼氣的自身循環(huán)利用[40]。朝陽(yáng)區(qū)高安屯餐廚垃圾處理廠設(shè)計(jì)餐廚垃圾處理規(guī)模400 t/d，采用高溫好氧發(fā)酵處理工藝，得到有機(jī)肥料及飼料終 產(chǎn)品。大興區(qū)贏海鎮(zhèn)南宮堆肥廠采用好氧式高溫 堆肥發(fā)酵技術(shù)，依靠微生物發(fā)酵，將有機(jī)物降解為 CO2、H2O 和 NH3，或?qū)ζ溥M(jìn)行半腐殖化處理。原設(shè)計(jì)處理能力為每天 400 t，經(jīng)過 2008 年、2009 年和 2014 年 3 次工藝改進(jìn)，處理能力已經(jīng)提升至每天2000 t 以上。

圖5   海淀區(qū)餐廚廚余垃圾處理廠工藝流程

目前堆肥處理技術(shù)存在的問題是預(yù)處理過程相對(duì)復(fù)雜、占地較大、處理周期較長(zhǎng)。此外，堆肥技術(shù)受垃圾成分的制約很大，廚余垃圾需要經(jīng)過脫水或與園林、農(nóng)業(yè)廢物等混合后才適合進(jìn)行好氧堆肥處理。在堆肥過程中還容易產(chǎn)生臭氣及有機(jī)質(zhì)含量較高的滲濾液，垃圾無(wú)害化程度有限，需要進(jìn)一步通過調(diào)整微生物群落、生物除臭塔除臭等方式來 減小環(huán)境危害。

生物干化技術(shù)是一種由堆肥技術(shù)發(fā)展而來的 垃圾預(yù)處理技術(shù)，其核心為2大過程：一是利用好 氧微生物生命活動(dòng)釋放的熱量將水分汽化，二是通過通風(fēng)對(duì)流的方式將水分帶出。該技術(shù)可在不消耗外源熱能的情況下提高垃圾低位熱值、穩(wěn)定部分有機(jī)物，且持續(xù)時(shí)間較短，利于降低含水率和垃圾減量，為后續(xù)進(jìn)一步處理打下基礎(chǔ)。自國(guó)內(nèi)推行垃圾分類政策以來，廚余垃圾量大幅增長(zhǎng)，由于其有 機(jī)物含量較高，利于好氧微生物生長(zhǎng)，因此生物干 化技術(shù)展示出較大潛力，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。生物干化設(shè)備、物料配比及性質(zhì)、運(yùn)行工藝 參數(shù)成為該項(xiàng)技術(shù)的幾大焦點(diǎn)。

大連泰達(dá)環(huán)保有限公司[41]對(duì)生物干化反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化了物料混勻、物料粉碎以及生物反應(yīng)的效果；

清華大學(xué)蔣建國(guó)等針對(duì)傳統(tǒng)生物干化技術(shù)所存在的降解效率低、發(fā)酵周期過長(zhǎng)，資源化利用率較低且成本高的問題，發(fā)明了一種輔熱強(qiáng)化廚余垃圾快速生物干化技術(shù)，通過分段式反應(yīng)設(shè)計(jì)和嗜熱菌的添加快速去除水分，含水率可在24h內(nèi)從80% 降低到30%，減量化率達(dá)到70% 以上；

北京大學(xué)張智燁等[42]對(duì)添加輔料對(duì)廚余垃圾生物干化的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明添加不同輔料對(duì)廚余垃圾生物干化過程中揮發(fā)性固體降解率產(chǎn)生影響，且降解主要的貢獻(xiàn)組分也不同。添加輔料對(duì)生物干化過程后廚余垃圾的燃燒特性也有所提高；

國(guó)家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司[43]則對(duì)廚余垃圾的燃燒特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明廚余垃圾燃燒反應(yīng)可分為低溫段、主要反應(yīng)階段和高溫階段，并對(duì)主要燃燒階段成功采用一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行了擬合；

清華大學(xué)向虹霖等[44]研究了工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)于廚余垃圾生物干化的影響，結(jié)果表明通風(fēng)量較高時(shí)能夠更快提高水的去除量，但通風(fēng)量增大會(huì)加大熱量損失，微生物降解產(chǎn)生的熱量難以支持水分蒸發(fā)所需的熱量，將導(dǎo)致反應(yīng)無(wú)法保持高溫狀態(tài)；

北海道大學(xué) Ham 等[45]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中有機(jī)物含量對(duì)生物干化的影響也出現(xiàn)了和通風(fēng)量相似的趨勢(shì)：基質(zhì)中有機(jī)物含量較高利于微生物的生命活動(dòng)，但含量進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致微生物代謝過程中產(chǎn)生較多水分，不利于生物干化效果；

因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要持續(xù)監(jiān)控運(yùn)行條件和基質(zhì)性質(zhì)變化，以保證更好的生物干化效果。 圖6對(duì)比了2種生物干化設(shè)備工藝[41,46]。

圖6   兩種生物干化設(shè)備

生物干化技術(shù)處理后的廚余垃圾實(shí)現(xiàn)了減量化且大幅降低含水率，其再利用的范圍被大大拓寬，制備垃圾衍生燃料、二次發(fā)酵制備肥料、作土壤改良劑等資源化途徑被廣泛研究。

江蘇維爾利公司聯(lián)合清華大學(xué)[47]采用機(jī)械生化處理技術(shù)（EMBT， eco-mechanical biological treatment）對(duì)廚余垃圾進(jìn)行處理。項(xiàng)目占地約5000m2，平均垃圾處理成本約140元/t，由此制備出包括生物水解系統(tǒng)固相物料、生物干化后高熱值物料和機(jī)械預(yù)處理分選出的高熱值塑料、織物 3種垃圾衍生燃料（RDF）。該項(xiàng)目工藝流程圖和干化設(shè)備如圖7、圖8所示。

圖7   某EMBT項(xiàng)目工藝流程

圖8   某EMBT項(xiàng)目生物干化設(shè)備

生物干化技術(shù)還存在一些問題亟待解決：

（ 1） 廚余垃圾含水量較高，采用傳統(tǒng)生物干化通風(fēng)方式難以保證通風(fēng)效果，因此需進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)設(shè)備，優(yōu)化工藝參數(shù)；

（2） 廚余垃圾不均勻，導(dǎo)致其垃圾衍生燃料的力學(xué)性質(zhì)、燃燒特性不穩(wěn)定等；

（3） 隨著垃圾分類政策的推進(jìn)，廚余垃圾量將大量增長(zhǎng)，如何盡量減小其占地面積、縮短其作用時(shí)間并且提高其減量效果成為重中之重。

蠅、虻、蚯蚓、蟑螂等體內(nèi)含有蛋白酶、淀粉酶等多種消化酶，利用這些腐生動(dòng)物對(duì)廚余垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行分解并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化處理，產(chǎn)生的蟲體富含脂肪和蛋白以及動(dòng)物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素，可以作為動(dòng)物飼料來源。同時(shí)，代謝廢物也可作為肥料改善土壤狀況（圖9）。

圖9   腐生生物處理廚余垃圾與資源化利用

美洲大蠊俗稱蟑螂，在全球分布極廣，體蛋白質(zhì)含量高達(dá)70%，蟲體和卵莢可做高蛋白飼料，對(duì)動(dòng)物有促消化、增強(qiáng)免疫的效果。近年來，美洲大蠊機(jī)體成分進(jìn)行生物制藥逐漸成為研究熱點(diǎn)。利用美洲大蠊生命力頑強(qiáng)、腐食性的特點(diǎn)可將其作為 分解廚余垃圾的工具，通過高密度的養(yǎng)殖處理廚余垃圾，可實(shí)現(xiàn)無(wú)害化與減量化[48]。山東濟(jì)南某蟑螂養(yǎng)殖場(chǎng)，目前養(yǎng)殖規(guī)模為10億只，每日可消耗50 t廚余垃圾。蟑螂蟲體可作為畜禽飼料的蛋白質(zhì)來源，也可以作為魚飼料。同時(shí)蟑螂糞便收集之后可以作為有機(jī)肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。每噸處理費(fèi)用政府補(bǔ)貼208元，年生產(chǎn)蛋白飼料約1200t，固定資產(chǎn)投資約為30萬(wàn)/t，目前蛋白飼料市場(chǎng)價(jià)約3200元/t，收益可觀。

蠅蛆（家蠅的幼蟲）可提煉出抗菌活性蛋白和復(fù)合氨基酸，是極具開發(fā)潛力的新型的蛋白類免疫增強(qiáng)劑。風(fēng)干蠅蛆的粗蛋白質(zhì)含量可達(dá)60%左右，氨基酸總量占干物質(zhì)總量的50% 以上，必需氨基酸占總氨基酸含量的43％以上，可作為一種高 質(zhì)量的動(dòng)物性蛋白質(zhì)資源，在畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有廣闊應(yīng)用前景。從蠅蛆中提取抗菌肽、幾丁質(zhì)以及蛆油物質(zhì)也成為新的研究熱點(diǎn)[49]。Niu[50]等利用 蠅蛆處理廚余垃圾，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件下1.5g家蠅卵在4d內(nèi)便可處理700g廚余垃圾，家蠅卵和廚余垃圾的質(zhì)量比約為1/467，廚余垃圾消耗量約為 43%。減量處理后的殘?jiān)勺鳛閮?yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，得到的干蛆質(zhì)量達(dá)到53.08 g，其中蛋白質(zhì)含量達(dá)57% 左右，油脂含量達(dá)15% 左右。蠅蛆的蛋白具有藥用價(jià)值，可用于醫(yī)藥生產(chǎn)和動(dòng)物飼料生產(chǎn)，油脂部分經(jīng)轉(zhuǎn)化后可得到生物柴油，產(chǎn)率約為87%。

蚯蚓的主要化學(xué)成分為蛋白質(zhì)、脂肪、糖類，可以作為動(dòng)物的飼料。蚯蚓又稱為“地龍”，中醫(yī)認(rèn)為其具有藥用價(jià)值，其體內(nèi)的提取物在抗氧化、抗菌消炎以及促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)方面有獨(dú)特的效果。蚯蚓糞富含大量的微生物及有機(jī)物，病原微生物少，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、花卉培養(yǎng)和土壤改良 中。在家庭陽(yáng)臺(tái)或庭院利用蚯蚓對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行分散式的處理已有很多報(bào)道。 蚯蚓每天可以處理等同于自身重量的廚余垃圾同時(shí)可以排出大約 1~ 2 倍重量的蚯蚓糞。有報(bào)道稱“1 kg 蚯蚓大約有 2000 只，每天可以吃掉大約1kg廚余垃圾，相當(dāng)于一個(gè)3口之家每天產(chǎn)生的廚余垃圾的數(shù)量?！盚us? sain 利用蚯蚓對(duì)廚余垃圾和秸稈的混合物進(jìn)行堆肥，經(jīng)過45d處理后，堆肥產(chǎn)物的養(yǎng)分含量顯著提高，各項(xiàng)理化性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)狀況均優(yōu)于原始廚余垃圾，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，廚余垃圾和水稻秸稈的最佳質(zhì)量比為 2∶3，廚余垃圾過多會(huì)對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)具有負(fù)面影響[51]。

黑水虻幼蟲取食范圍非常廣泛，其幼蟲具有腐生性，能夠轉(zhuǎn)化處理包括人畜糞便、食物殘?jiān)?、市政有機(jī)廢棄物。黑水虻幼蟲的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，干重高達(dá) 42% 左右，干物質(zhì)中的粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)32%~52%，與豆粕的蛋白含量相近，粗脂肪含量高達(dá)31%~38%，同時(shí)富含支持動(dòng)植物生長(zhǎng)必需元素以及粗纖維、月桂酸、抗菌物質(zhì)和甲殼素等物質(zhì)。黑水虻幼蟲干燥粉碎后可替代魚粉喂養(yǎng)家禽、魚等經(jīng)濟(jì)動(dòng)物（粟穎）。黑水虻處理廚余垃圾工藝的資源化程度高，廣東某黑水虻處理基地10t的廚余垃圾可生產(chǎn)2t的幼蟲和1t的蟲糞，只剩4%~5% 的剩余物，均是混雜在廚余垃圾中的塑料、木竹等無(wú)法采食的物質(zhì)。該項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用約為10 萬(wàn)~35萬(wàn)元/t，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約為90元/t。遠(yuǎn)低于主流厭氧消化項(xiàng)目的建設(shè)費(fèi)用（40 萬(wàn) ~52萬(wàn)元/t）及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（270~300元/t）。烘干后的黑水虻幼蟲和蟲糞目前市場(chǎng)價(jià)分別為6000元/t和500元/t[52]。

黑兵蠅是一種常見的熱帶和亞熱帶昆蟲，對(duì)不同的環(huán)境條件具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，其幼蟲一方面可以同化水果蔬菜以及動(dòng)物糞便等有機(jī)廢料，另一方面通過黑兵蠅收獲生物質(zhì)中含有脂類、蛋白質(zhì)和必需營(yíng)養(yǎng)元素[53]。黑兵蠅體內(nèi)的飽和脂肪含量高達(dá) 67%，遠(yuǎn)高于大豆飽和脂肪含量的11%和棕櫚油飽 和脂肪含量的37%[54]，目前已有大量關(guān)于黑兵蠅幼 蟲制備生物燃油工藝的研究[55]。

利用腐生動(dòng)物安全高效地處理廚余垃圾目前還存在一些技術(shù)問題：昆蟲飼料的成分難以保持一致性，廚余垃圾的水分含量、營(yíng)養(yǎng)成分、微生物安全性以及有機(jī)污染物等關(guān)鍵參數(shù)均是需要考慮的問題[56]；昆蟲培養(yǎng)條件的適宜技術(shù)參數(shù)需要進(jìn)一步探索，例如黑水虻人工養(yǎng)殖對(duì)養(yǎng)殖溫度要求均較高，從而限制了其在低氣溫地區(qū)的發(fā)展，人工養(yǎng)殖黑水虻存在黑水虻幼蟲過小、黑水虻蛹羽化率低等問題[57]；腐生動(dòng)物養(yǎng)殖技術(shù)穩(wěn)定性、產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立均是需要進(jìn)一步克服的技術(shù)問題 。

通過物理機(jī)械手段對(duì)廚余垃圾進(jìn)行預(yù)處理，有助于廚余垃圾更高效地實(shí)現(xiàn)減量化和資源化。目前國(guó)內(nèi)外研究和推廣較多的物理預(yù)處理技術(shù)主要包括粉碎直排和機(jī)械壓榨。廚余垃圾經(jīng)過物理手段預(yù)處理后的粒度變細(xì)可實(shí)現(xiàn)固體和漿體液的高效分離，可通過家庭下水排放進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，或通過制成垃圾衍生燃料、堆肥以及厭氧發(fā)酵等技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)利用。

粉碎直排是指在廚房下水口安裝粉碎裝置，將廚余垃圾粉碎后直接排放到下水道，隨后進(jìn)入市政污水處理系統(tǒng)。目前，全球超過90個(gè)國(guó)家使用廚余垃圾粉碎機(jī)。其中，美國(guó)、新西蘭和澳大利亞分別有94%、30% 和20% 的城市使用了廚余垃圾破碎 機(jī)。在美國(guó)平均50%美國(guó)家庭安裝了廚余垃圾粉碎機(jī)，有80%的新建住房將廚房垃圾粉碎機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)配件。粉碎直排技術(shù)將廚余垃圾從固廢處理 系統(tǒng)轉(zhuǎn)入污水處理系統(tǒng)，有利于污水處理廠通過厭氧消化回收能源物質(zhì)。同時(shí)減少了至少1/3的生活 垃圾，降低了清運(yùn)次數(shù)和垃圾處理負(fù)荷，進(jìn)而節(jié)省 了垃圾處理費(fèi)用，降低了垃圾填埋場(chǎng) CH4 的排放 量[58]。Zan等[59]評(píng)估了廚余垃圾粉碎直排技術(shù)對(duì)相 關(guān)污水處理廠污水處理網(wǎng)絡(luò)的影響，發(fā)現(xiàn)廚余垃圾 處理器的使用對(duì)生活污水處理廠的處理能力和水質(zhì)影響有限，廚余垃圾粉碎直排系統(tǒng)有利于城市廢物管理。

粉碎直排技術(shù)在中國(guó)的推廣存在以下問題：粉碎設(shè)備成本較高，在收入較低的家庭推廣難度較大；粉碎設(shè)備處理能力受限，可能造成家庭下水道堵塞；污水流速過低導(dǎo)致破碎廚余垃圾在污水管網(wǎng) 中沉積而產(chǎn)生厭氧發(fā)酵、大量產(chǎn)氣等問題[60]；管網(wǎng)中的廚余垃圾油脂可能會(huì)在低溫條件下凝固導(dǎo)致管道堵塞；破碎廚余垃圾進(jìn)入污水廠可能會(huì)增加預(yù)處理系統(tǒng)負(fù)荷和運(yùn)維難度[61]。廚余垃圾粉碎機(jī)處理技術(shù)只適合廚余垃圾產(chǎn)生源相對(duì)分散，產(chǎn)生量少，且住宅設(shè)施條件好的場(chǎng)合，現(xiàn)階段不宜大面積推廣應(yīng)用[62]。

廚余垃圾機(jī)械壓榨技術(shù)通過壓榨預(yù)處理設(shè)備 將廚余垃圾中的漿化料擠壓，實(shí)現(xiàn)了干濕分離的目的。圖10展示了中大型壓榨預(yù)處理和漿化料處理減量站的工作流程。壓榨預(yù)處理單元是整個(gè)工藝 技術(shù)預(yù)處理系統(tǒng)的核心組成部分，通過高壓將廚余垃圾快速分類為壓榨渣、漿化料兩部分產(chǎn)物，能夠較好地實(shí)現(xiàn)分質(zhì)分類處理效果，并能夠有效提升后續(xù)處理效率。機(jī)械壓榨預(yù)處理工藝流程為：板式給料機(jī)→多效分級(jí)裝置→磁選→破碎機(jī)→制漿機(jī)→ 一次壓榨→二次壓榨。具體是將廚余垃圾卸料進(jìn)入料斗后落入下方的給料機(jī)。通過給料機(jī)輸送進(jìn)入制漿機(jī)，漿料通過重力作用落入粉碎機(jī)下方的物 料緩沖池。存儲(chǔ)在緩沖池中的物料泵送至一次生 物壓榨機(jī)進(jìn)行第一輪粗壓榨。一次壓榨后分離出的有機(jī)漿液通過重力作用落入壓榨機(jī)下方的濃漿池緩存。

圖 10    中大型壓榨預(yù)處理+漿化料處理減量站

為了能最大限度地提取有機(jī)質(zhì)，可以將一次壓榨后的固體雜質(zhì)加熱后再進(jìn)行二次壓榨，二次  壓榨后分離出來的液相泵送至濃漿池緩存，剩余的固體雜質(zhì)直接重力落入二次生物壓榨機(jī)下方的除渣間。壓榨后固體部分（壓榨渣）含水率約30% 左右，可以進(jìn)一步制成垃圾衍生燃料或堆肥；漿化料部分含水率約85%~90%，可通過柱塞泵泵送至厭氧消化罐進(jìn)行厭氧反應(yīng)，回收能源實(shí)現(xiàn)資源化利用[62]。

廚余垃圾經(jīng)過壓榨實(shí)現(xiàn)固液分離，性狀更加穩(wěn)定，有利于有針對(duì)性地提高后續(xù)處理效能，“減量化、無(wú)害化和資源化”效益顯著。同時(shí)壓榨處理工 藝還存在初期投資大、占用一定土地面積、潛在的噪聲和臭氣污染等問題。

2020年是中國(guó)垃圾分類工作推進(jìn)開展的關(guān)鍵之年，在生活垃圾強(qiáng)制分類的背景下，大量廚余垃圾的分類收集及其處理處置凸顯出的諸多問題亟 待解決。本文圍繞著垃圾分類政策推進(jìn)現(xiàn)狀、廚余垃圾的產(chǎn)生和處理出路以及廚余垃圾處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)回顧，指出了當(dāng)前垃圾分類政策、廚余垃圾的產(chǎn)生及特征等方面存在的認(rèn)識(shí)偏差，梳理并整合了廚余垃圾處理技術(shù)研究熱點(diǎn)和相關(guān)的工程案例，對(duì)2020年中國(guó)廚余垃圾處理技術(shù) 研發(fā)和應(yīng)用及其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行闡述，相信在中國(guó)垃圾分類工作的廣泛推進(jìn)下，能更好地促進(jìn)廚余垃圾末 端 處理和資源化設(shè)施設(shè)備的完善與更新，期待2021年廚余垃圾處理領(lǐng)域能取得更大的突破。

參考文獻(xiàn)（ References）

掃碼查看